山大Part II 焊接冶金—3 熔渣与液态金属的相互作用

1、Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金材料成型基础材料成型基础Part II焊接化学冶金焊接化学冶金Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金液态金属与熔渣的相互作用1 1、焊接熔渣、焊接熔渣2 2、熔渣的物理性质、熔渣的物理性质3 3、活性熔渣对金属的氧化、活性熔渣对金属的氧化Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金1 1、焊接熔渣、焊接熔渣 焊接过程中，焊焊接过程中，焊( (或钎或钎) )剂、药皮熔化后剂、药皮熔化后，经，经过一系列化学变化而形成的过一系列化学变化而形成的覆盖于焊覆盖于焊( (或钎或钎) )缝表缝表面的非金属物质。面的非金属物

2、质。3.1 焊接熔渣2 2、熔渣的作用、熔渣的作用 (1) 机械保护作用机械保护作用 (2) 冶金处理作用冶金处理作用 (3) 改善成形工艺性能作用改善成形工艺性能作用 (4) 不利作用不利作用 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3.1 焊接熔渣(1) (1) 机械保护作用机械保护作用焊中：焊中：防合金元素烧损，防防合金元素烧损，防HH、NN、OO、S S的侵的侵入，减少液态金属的热损失。入，减少液态金属的热损失。 焊后：焊后：防高温焊缝金属氧化。防高温焊缝金属氧化。(2) (2) 冶金处理作用冶金处理作用 a.a.金属中的有害杂质，如脱氧、脱硫、脱磷和金属中的有害杂质，

3、如脱氧、脱硫、脱磷和去氢去氢; ; b. b. 吸附或溶解液态金属中非金属夹杂物吸附或溶解液态金属中非金属夹杂物; ; c. c. 向焊缝中过渡合金。向焊缝中过渡合金。(3) (3) 改善成形工艺性能改善成形工艺性能a.a.电弧易于引燃、稳定燃烧、减少飞溅，改善电弧易于引燃、稳定燃烧、减少飞溅，改善脱渣性及焊缝成形好；脱渣性及焊缝成形好；b.b.电弧熔炼电弧熔炼: : 稳定电弧燃烧，电阻发热体，重熔稳定电弧燃烧，电阻发热体，重熔并精炼金属。并精炼金属。 (4) (4) 不利作用不利作用a. a. 强氧化性熔渣使焊缝增氧强氧化性熔渣使焊缝增氧b. b. 易残留在金属中形成夹渣。易残留在金属中形成

4、夹渣。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3 3、熔渣的成分与分类、熔渣的成分与分类 熔渣由多种化合物构成，其性能主要取决于熔渣由多种化合物构成，其性能主要取决于熔渣的成分与结构：熔渣的成分与结构： (1) (1) 盐型熔渣盐型熔渣 (2) (2) 盐盐- -氧化物型熔渣氧化物型熔渣 (3) (3) 氧化物型熔渣氧化物型熔渣 3.1 焊接熔渣Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金类型类型成分成分氧化性氧化性应用应用盐型熔盐型熔渣渣金属氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化金属氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物合物, 如如CaF2-NaF、CaF2-RaCl2-NaF、K

5、Cl-NaCl-Na3AlF6、BaF2-MgF2-CaF2-LiF 很小很小 铝、钛等化学铝、钛等化学活性金属活性金属 盐盐-氧化氧化物型熔物型熔渣渣氟化物和金属氧化物氟化物和金属氧化物, 如如CaF2-CaO -Al2O3、CaF2-CaO-SiO2、CaF2 MgO-Al2O3-SiO2较小较小 重要的低合金重要的低合金高强钢、合金高强钢、合金钢及合金钢及合金 氧化物氧化物型熔渣型熔渣弱碱金属氧化物弱碱金属氧化物,如如MnO-SiO2、FeO-MnO-SiO2、CaO-TiO2-SiO2较强较强低碳钢、低合低碳钢、低合金高强钢金高强钢 熔渣的成分及分类熔渣的成分及分类3.1 焊接熔渣渣系

6、：焊接熔渣是一个多成分的复渣系：焊接熔渣是一个多成分的复杂体系，通常将含量少，影响小的杂体系，通常将含量少，影响小的次要成分略去，简化为含量多、影次要成分略去，简化为含量多、影响大的成分组成的渣系。响大的成分组成的渣系。Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金4 4、熔渣的来源与构成、熔渣的来源与构成 (1) SMAW(1) SMAW的熔渣与药皮的熔渣与药皮 SMAWSMAW熔渣来源于焊条熔渣来源于焊条药皮中的造渣剂。药皮中的造渣剂。 造渣剂是药皮中最基本的组成物，通常包括造渣剂是药皮中最基本的组成物，通常包括钛铁矿钛铁矿(TiO(TiO2 2FeO)FeO)、金红石、金红石(

7、TiO(TiO2 2) )、大理石、大理石(CaCO(CaCO3 3) )、硅砂、硅砂(SiO(SiO2 2) )、长石、白泥和云母、长石、白泥和云母(SiO(SiO2 2A1A12 2OO3 3) )等。等。 焊接过程中造渣剂熔化，形成独立熔渣相，焊接过程中造渣剂熔化，形成独立熔渣相，覆盖在熔滴与熔池表面。覆盖在熔滴与熔池表面。 3.1 焊接熔渣Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金由氧化物和氟化由氧化物和氟化物组成的，与物组成的，与SMAW的熔渣成的熔渣成分类似。分类似。易于实易于实现焊缝现焊缝金属的金属的合金化合金化(2) SAW(2) SAW、ESWESW熔渣与焊剂熔

8、渣与焊剂3.1 焊接熔渣焊剂焊剂熔炼焊剂非熔炼焊剂烧结焊剂粘结焊剂因在制造过因在制造过程中耗能太程中耗能太大而逐渐被大而逐渐被淘汰淘汰推广应用推广应用前景良好前景良好用于堆焊用于堆焊和焊接高和焊接高强钢、不强钢、不锈钢。锈钢。 碱度可调范围广，易于碱度可调范围广，易于添加各种合金元素，有添加各种合金元素，有利于改善焊接工艺性能利于改善焊接工艺性能和提高焊缝力学性能。和提高焊缝力学性能。Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 熔渣的物化性质及其与金属的相互作用与熔渣的物化性质及其与金属的相互作用与熔渣的内部结构有密切关系。熔渣的内部结构有密切关系。 液态熔渣的结构理论液态熔渣的

9、结构理论: : (1) (1) 分子理论分子理论 主要依据室温下对凝固熔渣的相分析和成主要依据室温下对凝固熔渣的相分析和成分分析的结果分分析的结果 (2) (2) 离子理论离子理论 基于对熔渣电化学性能的研究基于对熔渣电化学性能的研究 3.1 焊接熔渣5 5、熔渣结构理论、熔渣结构理论Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金(1) (1) 分子理论分子理论3.1 焊接熔渣(1) (1) 液态熔渣是由自由状态化合物和复合状态化液态熔渣是由自由状态化合物和复合状态化合物的分子所组成。合物的分子所组成。 自由化合物自由化合物: 氧化物、氟化物、硫化物氧化物、氟化物、硫化物 复合化合物

10、复合化合物: 酸性和碱性氧化物生成的盐酸性和碱性氧化物生成的盐 (2) (2) 氧化物与复合物在一定温度下处于平衡状态氧化物与复合物在一定温度下处于平衡状态 CaO+SiOCaO+SiO2 2CaOCaO SiOSiO2 2升温升温: : 反应向左反应向左; ; 降温降温: : 反应向右反应向右(3) (3) 只有渣中的自由氧化物才能与液体金属和其只有渣中的自由氧化物才能与液体金属和其中的元素发生作用中的元素发生作用（FeOFeO）+C=Fe+CO+C=Fe+CO 硅酸铁硅酸铁(FeO)(FeO)2 2SiOSiO2 2中的中的FeOFeO不能反应不能反应 分子理论建立早、应用广，可简明地定性

11、分分子理论建立早、应用广，可简明地定性分析熔渣和金属之间的一些冶金反应。但无法解释析熔渣和金属之间的一些冶金反应。但无法解释熔渣导电性等。熔渣导电性等。Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金(2) (2) 离子理论离子理论3.1 焊接熔渣(1) (1) 液态熔渣是由正离子和负离子组成的电中性液态熔渣是由正离子和负离子组成的电中性溶液溶液 包括简单正离子、简单负离子以及复杂负离子包括简单正离子、简单负离子以及复杂负离子(2) (2) 离子在熔渣中的分布、聚集和相互作用取决离子在熔渣中的分布、聚集和相互作用取决于其综合矩于其综合矩: : 离子电荷离子电荷/ /离子半径离子半径1)

12、 1) 离子的综合矩越大，说明它的静电场越强，与离子的综合矩越大，说明它的静电场越强，与异号离子的引力越大。异号离子的引力越大。 2) 2) 离子间的作用力还影响离子在熔渣中的分布离子间的作用力还影响离子在熔渣中的分布 熔渣不是完全均匀的离子溶液，而是微观不均匀熔渣不是完全均匀的离子溶液，而是微观不均匀的溶液。的溶液。 (3) (3) 液体熔渣与金属之间相互作用的过程，是原液体熔渣与金属之间相互作用的过程，是原子与离子交换电荷的过程子与离子交换电荷的过程 如硅还原和铁氧化的过程是金属中铁原子和如硅还原和铁氧化的过程是金属中铁原子和渣中硅离子在两相界面上交换电荷的过程渣中硅离子在两相界面上交换电

13、荷的过程: :离子理论离子理论: Si: Si4+4+2Fe=2Fe+2Fe=2Fe2+2+Si+Si分子理论分子理论: (SiO: (SiO2 2)+2Fe=2(FeO)+Si )+2Fe=2(FeO)+Si 熔渣的离子理论对许多现象的解释比分子理熔渣的离子理论对许多现象的解释比分子理论更合理论更合理, , 但由于目前它还没有一个完整的模型但由于目前它还没有一个完整的模型, ,又缺乏系统的热力学资料又缺乏系统的热力学资料, , 故在化学冶金中还广泛故在化学冶金中还广泛应用分子理论。应用分子理论。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3.2 焊接熔渣的理化性质u碱度碱度(B

14、asicity(Basicity) )u熔点熔点u密度密度u粘度粘度 ( Viseosity( Viseosity) )u表面张力与界面张力表面张力与界面张力 影响熔滴过渡，脱渣性，保护效果，焊影响熔滴过渡，脱渣性，保护效果，焊缝成形等缝成形等Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3.2 焊接熔渣的理化性质1 1、熔点、熔点(1) (1) 熔渣是一个多元体系，其液固转变是在一个熔渣是一个多元体系，其液固转变是在一个温度区间进行的，熔点高低取决于熔渣的组分。温度区间进行的，熔点高低取决于熔渣的组分。(2) (2) 熔渣的各组元独立相熔点较高，而以一定比熔渣的各组元独立相熔点较高

15、，而以一定比例构成复合渣时可使凝固温度大大降低。例构成复合渣时可使凝固温度大大降低。(3) (3) 熔渣的熔点熔渣的熔点( (或焊条熔点或焊条熔点) )与焊丝和母材的熔与焊丝和母材的熔点相匹配点相匹配: : 若熔渣的熔点过高若熔渣的熔点过高熔渣过早凝固熔渣过早凝固, , 其其与液态金属反应不充分与液态金属反应不充分影响焊缝外观成形、甚影响焊缝外观成形、甚至产生气孔和夹杂至产生气孔和夹杂; ; 凝固温度过低凝固温度过低焊缝开始凝焊缝开始凝固时固时, , 熔渣仍处于稀流状态熔渣仍处于稀流状态, , 使其覆盖性变差使其覆盖性变差影影响对焊缝保护及外观成形响对焊缝保护及外观成形( (焊缝表面粗糙不平焊

16、缝表面粗糙不平) )。(4) SMAW: (4) SMAW: 一般药皮熔点要略低于焊芯金属熔一般药皮熔点要略低于焊芯金属熔点点( (约低约低100100200200), ), 适于焊接钢的熔渣熔点一适于焊接钢的熔渣熔点一般在般在11501350 11501350 。由于药皮是机械混合物，。由于药皮是机械混合物，熔化后才能形成熔渣，所以熔渣的凝固温度必然熔化后才能形成熔渣，所以熔渣的凝固温度必然要比药皮的熔点更低一些。要比药皮的熔点更低一些。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3.2 焊接熔渣的理化性质2 2、密度、密度(1) (1) 影响熔渣与液态金属间的相对位置与相对运

17、影响熔渣与液态金属间的相对位置与相对运动速度。动速度。(2) (2) 密度与金属接近的熔渣易滞留于金属内部形密度与金属接近的熔渣易滞留于金属内部形成夹杂。成夹杂。(3) (3) 选用焊材时，首先要保证所形成的熔渣具有选用焊材时，首先要保证所形成的熔渣具有合适的凝固温度范围和较低的密度。合适的凝固温度范围和较低的密度。Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3.2 焊接熔渣的理化性质3 3、碱度、碱度 碱度是熔渣的重要化学性质之一，影响熔渣碱度是熔渣的重要化学性质之一，影响熔渣的其他物化性质，如活性、粘度、表面张力，也的其他物化性质，如活性、粘度、表面张力，也影响熔渣对液态金属脱

18、硫、脱磷效果。影响熔渣对液态金属脱硫、脱磷效果。 不同的熔渣结构理论，碱度的定义和计算方不同的熔渣结构理论，碱度的定义和计算方法都不同法都不同: : (1) (1) 分子理论下的熔渣碱度分子理论下的熔渣碱度 (2) (2) 离子理论下的熔渣碱度离子理论下的熔渣碱度Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3.2 焊接熔渣的理化性质(1) (1) 分子理论下的熔渣碱度分子理论下的熔渣碱度熔渣碱度熔渣碱度: : 熔渣中的碱性氧化物与酸性氧化物浓熔渣中的碱性氧化物与酸性氧化物浓度的比值。度的比值。计算公式计算公式: : 酸性氧化物的摩尔分数碱性氧化物的摩尔分数B碱度计算碱度计算: :碱

19、性渣碱性渣: B1: B1酸性渣酸性渣: B1: B1, : B1, 酸性渣酸性渣: B1, : B1; : B1; 酸性渣酸性渣: B1; : B00原因原因: : 碱性氧化物在液态渣中产生碱性氧化物在液态渣中产生OO2-2-等等, , 如：如：CaOCaO=Ca=Ca2+2+O+O2-2-酸性氧化物酸性氧化物: : ai00 原因原因: :酸性氧化物消耗渣中的酸性氧化物消耗渣中的OO2-2-, , 如：如：SiOSiO2 2 +2O +2O2-2-=SiO=SiO4 44-4-Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金焊条或焊焊条或焊剂类型剂类型熔渣化学成分（质量分数）（熔渣

20、化学成分（质量分数）（%） 碱度碱度类型类型酸碱性酸碱性SiOSiO2 2TiOTiO2 2Al Al2 2O O3 3 FeOFeOMnOMnOCaOCaOMgOMgONaNa2 2O OK K2 2O OCaFCaF2 2B B1 1B B2 2氧化物型氧化物型酸性酸性钛型钛型23.423.437.737.710.010.06.96.911.711.73.73.70.50.52.22.22.92.90.430.43-2.0-2.0氧化物型氧化物型酸性酸性钛钙型钛钙型25.125.130.230.23.53.59.59.513.713.78.88.85.25.21.71.72.32.30.7

21、60.76-0.9-0.9氧化物型氧化物型酸性酸性钛铁矿型钛铁矿型 29.229.214.014.01.11.115.615.626.526.58.78.71.31.31.41.41.11.10.880.88-0.1-0.1氧化物型氧化物型酸性酸性氧化铁型氧化铁型 40.440.41.31.34.54.522.722.719.319.31.31.34.64.61.81.81.51.50.600.60-0.7-0.7氧化物型氧化物型酸性酸性纤维素型纤维素型 34.734.717.517.55.55.511.911.914.414.42.12.15.85.83.83.84.34.30.600.60

22、-1.3-1.3氧化物型氧化物型酸性酸性低氢型低氢型24.124.17.07.01.51.54.04.03.53.535.835.80.80.80.80.820.320.31.861.860.90.9盐盐- -氧化物型氧化物型碱性碱性HJ430HJ43038.538.51.31.34.74.743431.71.70.450.456.06.00.620.62-0.33-0.33氧化物型氧化物型酸性酸性HJ251HJ25118.218.222.022.018.018.023.023.01.01.07.07.010.010.03.03.06.06.014.014.017.017.023.023.03

23、0.030.01.151.151.441.440.0480.0480.490.49盐盐- -氧化物型氧化物型碱性碱性焊接熔渣的化学成分举例 3.2 焊接熔渣的理化性质(3) (3) 两种两种理论的熔渣碱度比较理论的熔渣碱度比较Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3.2 焊接熔渣的理化性质(4) (4) 有关有关熔渣碱度的一般规律熔渣碱度的一般规律( (结论结论) )u根据熔渣碱度，焊条和焊剂分为酸性和碱性两根据熔渣碱度，焊条和焊剂分为酸性和碱性两大类。大类。u低氢型焊条又称碱性焊条，其药皮主要特点是低氢型焊条又称碱性焊条，其药皮主要特点是不含有机物，含大量碳酸盐和一定的不含

24、有机物，含大量碳酸盐和一定的CaFCaF2 2。u其它非低氢型焊条又称为酸性焊条，主要以硅其它非低氢型焊条又称为酸性焊条，主要以硅酸盐或钛酸盐为主，一般不含酸盐或钛酸盐为主，一般不含CaFCaF2 2。u碱度越大，焊缝氧、硫含量越低。碱度越大，焊缝氧、硫含量越低。u碱性渣易吸潮，电弧稳定性和脱渣性较差，碱性渣易吸潮，电弧稳定性和脱渣性较差，Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3.2 焊接熔渣的理化性质作业练习作业练习: :测得熔渣的化学成分为：测得熔渣的化学成分为：CaOCaO: 41.94%, CaF: 41.94%, CaF2 2:28.34%, :28.34%, Si

25、OSiO2 2: 23.76%, FeO: 23.76%, FeO: 5.78%, : 5.78%, TiOTiO2 2: 7.23%, Al: 7.23%, Al2 2OO3 3: 3.57%, : 3.57%, MnOMnO: 3.74%, (Na: 3.74%, (Na2 2O+KO+K2 2O): 4.25%O): 4.25%，计算熔渣的碱度计算熔渣的碱度B B1 1，并判断该渣的酸碱性。，并判断该渣的酸碱性。Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3.2 焊接熔渣的理化性质4 4、粘度、粘度 主要影响保护效果、焊缝成形、熔池中气体主要影响保护效果、焊缝成形、熔池中气体

26、的外逸等的外逸等: :u金属与渣之间的冶金反应，在动力学上取决于金属与渣之间的冶金反应，在动力学上取决于它们之间的相对传输速度它们之间的相对传输速度熔渣的粘度越小，流熔渣的粘度越小，流动性越好，则扩散越容易，对冶金反应的进行就动性越好，则扩散越容易，对冶金反应的进行就越有利，越易于气体的逸出。越有利，越易于气体的逸出。u在焊接工艺上，焊接熔渣的粘度过小在焊接工艺上，焊接熔渣的粘度过小熔渣熔渣易易流失流失影响对熔池影响对熔池( (或焊缝或焊缝) )在全位置焊接时的成在全位置焊接时的成形和保护效果。形和保护效果。Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3.2 焊接熔渣的理化性质4

27、4、粘度、粘度SMAW, SMAW, 根据粘度随温度变化的速率根据粘度随温度变化的速率, , 熔渣分为熔渣分为: :2TT1T长渣短渣O熔渣粘度随温度变化 长渣：随温度升高粘长渣：随温度升高粘度下降缓慢的渣。度下降缓慢的渣。短渣：随温度增高粘短渣：随温度增高粘度急剧下降的渣。度急剧下降的渣。短渣因凝固时间短适合短渣因凝固时间短适合于全位置焊，长渣适合于全位置焊，长渣适合于平位置焊。于平位置焊。Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3.2 焊接熔渣的理化性质4 4、粘度、粘度渣的粘度与它的成分和结构有关渣的粘度与它的成分和结构有关: : (1) Si (1) Si-O-O阴离子

28、聚合程度大、离子尺寸大、粘阴离子聚合程度大、离子尺寸大、粘度大。在温度升高时复杂的度大。在温度升高时复杂的SiSi-O-O离子逐渐破坏，离子逐渐破坏，形成较小的形成较小的SiSi-O-O阴离子，粘度缓慢下降，因此阴离子，粘度缓慢下降，因此含含SiOSiO2 2多的酸性渣为长渣。多的酸性渣为长渣。 (2) (2) 碱性渣中离子尺寸小、粘度低，且随温度碱性渣中离子尺寸小、粘度低，且随温度升高离子浓度增大，粘度迅速下降，因此升高离子浓度增大，粘度迅速下降，因此碱性渣碱性渣以及钛型和钛钙型为短渣。以及钛型和钛钙型为短渣。Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3.2 焊接熔渣的理化性质

29、4 4、粘度、粘度 (3) (3) 在酸性渣中减少在酸性渣中减少SiOSiO2 2, , 增加增加TiOTiO2 2, , 使复杂使复杂的的SiSi-O-O阴离子减少阴离子减少, , 可降低粘度可降低粘度, , 使渣成为短渣。使渣成为短渣。 (4) (4) 在酸性渣中加入能产生在酸性渣中加入能产生OO2-2-的碱性氧化物的碱性氧化物(CaO(CaO、MgOMgO、MnOMnO、FeOFeO等等) )能破坏能破坏SiSi-O-O离子离子键键, , 使使SiSi-O-O离子的聚合程度降低、粘度降低，使渣离子的聚合程度降低、粘度降低，使渣向短渣转化向短渣转化。 (5) (5) 碱性渣中高熔点碱性渣中

30、高熔点CaOCaO多时，可出现未熔多时，可出现未熔化的固体颗粒而使粘度升高。化的固体颗粒而使粘度升高。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3.2 焊接熔渣的理化性质4 4、粘度、粘度 (6) (6) 在焊接熔渣和炼钢熔渣中常用在焊接熔渣和炼钢熔渣中常用CaFCaF2 2作为作为稀释剂稀释剂: : 渣中加入渣中加入CaFCaF2 2可起到很好的稀释作用。可起到很好的稀释作用。 在碱性渣中，在碱性渣中，CaFCaF2 2能促使能促使CaOCaO熔化，降低熔化，降低粘度；粘度； 在酸性渣中，在酸性渣中，CaFCaF2 2的的F F- -能更有效地破坏能更有效地破坏SiSi- -

31、OO键，减小聚合离子尺寸，降低粘度。键，减小聚合离子尺寸，降低粘度。Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3.2 焊接熔渣的理化性质5 5、表面张力和界面张力、表面张力和界面张力 熔渣的表面张力及熔渣与液态金属间的界面熔渣的表面张力及熔渣与液态金属间的界面张力对于冶金过程动力学及液态金属中熔渣等杂张力对于冶金过程动力学及液态金属中熔渣等杂质相的排出有重要影响。它还影响到熔渣对液态质相的排出有重要影响。它还影响到熔渣对液态金属的覆盖性能，并由此影响隔离保护效果及焊金属的覆盖性能，并由此影响隔离保护效果及焊缝外观成形缝外观成形。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化

32、学冶金3.2 焊接熔渣的理化性质5 5、表面张力和界面张力、表面张力和界面张力(1) (1) 熔渣的表面张力熔渣的表面张力 s-gs-g与温度和熔渣组元质点间化学与温度和熔渣组元质点间化学键的键能有关键的键能有关: :1) 1) 温度越高，表面张力越低。温度越高，表面张力越低。2) 2) 具有离子键的物质其键能较大具有离子键的物质其键能较大, , 表面张力也较大表面张力也较大, , 如如MgOMgO、CaOCaO、AlAl2 2OO3 3、MnOMnO、FeOFeO等；等；3) 3) 具有极性键的物质其键能较小，表面张力也较小具有极性键的物质其键能较小，表面张力也较小, , 如如SiOSiO2

33、 2、TiOTiO2 2等；等；4) 4) 具有共价键的物质其键能最小，表面张力也最小具有共价键的物质其键能最小，表面张力也最小, , 如如B B2 2OO3 3、P P2 2OO5 5等。等。因此，碱度高的渣表面张力大。在碱性渣中加入因此，碱度高的渣表面张力大。在碱性渣中加入酸性氧化物酸性氧化物TiOTiO2 2、SiOSiO2 2、B B2 2OO3 3等能降低碱性渣等能降低碱性渣的表面张力。另外，的表面张力。另外，CaFCaF2 2对降低熔渣表面张力也对降低熔渣表面张力也有显著作用。有显著作用。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3.2 焊接熔渣的理化性质5 5、表

34、面张力和界面张力、表面张力和界面张力(2) (2) 熔渣与液态金属间的界面张力影响焊接质量熔渣与液态金属间的界面张力影响焊接质量: : 界面张力小时，熔渣对金属的覆盖保护效果较好；界面张力小时，熔渣对金属的覆盖保护效果较好；反之，则有利于熔渣从液态金属中分离。反之，则有利于熔渣从液态金属中分离。1) 1) 酸性渣与液态金属间的界面张力较小，对液态酸性渣与液态金属间的界面张力较小，对液态金属的润湿性较好，在钢液表面易铺展，对钢液金属的润湿性较好，在钢液表面易铺展，对钢液的保护效果较好。的保护效果较好。2) SMAW2) SMAW时，覆盖在熔滴表面的熔渣与熔滴间的时，覆盖在熔滴表面的熔渣与熔滴间的

35、界面张力过大时，易造成熔滴粗化，飞溅增多。界面张力过大时，易造成熔滴粗化，飞溅增多。Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3.2 焊接熔渣的理化性质6 6、脱渣性、脱渣性熔渣的脱渣性熔渣的脱渣性: : 焊后覆盖在焊缝表面的固态熔渣渣焊后覆盖在焊缝表面的固态熔渣渣壳从焊缝表面脱落的难易程度。壳从焊缝表面脱落的难易程度。影响脱渣性的主要因素影响脱渣性的主要因素: :(1) (1) 熔渣与焊缝金属之间的化学结合力。焊钢时熔熔渣与焊缝金属之间的化学结合力。焊钢时熔渣中的渣中的FeO, FeO, 既能溶解在金属中既能溶解在金属中, , 又能溶解在熔渣又能溶解在熔渣中中, , 因此它能使

36、金属和熔渣结合在一起因此它能使金属和熔渣结合在一起, , 从而使渣从而使渣壳不易脱落壳不易脱落。(2) (2) 焊渣和金属的线胀系数相差越大，熔渣本身的焊渣和金属的线胀系数相差越大，熔渣本身的弹性越小弹性越小, , 脱渣性就越好。脱渣性就越好。7 7、导电性、导电性 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3.2 焊接熔渣的理化性质 熔渣的凝固温度、粘度和表面张力对熔渣的凝固温度、粘度和表面张力对焊接、熔炼过程中的化学冶金反应质量及焊接、熔炼过程中的化学冶金反应质量及熔焊工艺性能影响很大，尤其是在全位置熔焊工艺性能影响很大，尤其是在全位置焊接时，具有适当表面张力与凝固温度的焊接

37、时，具有适当表面张力与凝固温度的短渣，对于阻止液态熔池与熔渣在重力作短渣，对于阻止液态熔池与熔渣在重力作用下的下流、保证焊缝的外观成形是至关用下的下流、保证焊缝的外观成形是至关重要的。重要的。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3.3 活性熔渣对金属的氧化u熔渣的氧化或还原能力是指熔渣向液态金属中熔渣的氧化或还原能力是指熔渣向液态金属中传入氧或从液态金属中导出氧的能力。氧化性较传入氧或从液态金属中导出氧的能力。氧化性较强的熔渣又称为活性熔渣。强的熔渣又称为活性熔渣。u熔渣的氧化性熔渣的氧化性: : 常用渣中含有最不稳定的氧化物常用渣中含有最不稳定的氧化物FeOFeO的高低

38、及该氧化物在熔渣中的活度来衡量。的高低及该氧化物在熔渣中的活度来衡量。u由于熔渣并非理想溶液，渣中氧化铁的含量并由于熔渣并非理想溶液，渣中氧化铁的含量并不是参加氧化反应时的有效浓度，氧化反应能否不是参加氧化反应时的有效浓度，氧化反应能否顺利进行与顺利进行与FeO在熔渣中的活度在熔渣中的活度FeO有关有关 1 1、熔渣的氧化性、熔渣的氧化性Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3.3 活性熔渣对金属的氧化u熔渣的氧化或还原能力是指熔渣向液态金属中熔渣的氧化或还原能力是指熔渣向液态金属中传入氧或从液态金属中导出氧的能力。氧化性较传入氧或从液态金属中导出氧的能力。氧化性较强的熔渣又

39、称为活性熔渣。强的熔渣又称为活性熔渣。u熔渣的氧化性熔渣的氧化性: : 取决于熔渣中的氧化物，取决于熔渣中的氧化物，常用渣常用渣中含有最不稳定的氧化物中含有最不稳定的氧化物FeOFeO的高低及该氧化物的高低及该氧化物在熔渣中的活度来衡量。在熔渣中的活度来衡量。1 1、熔渣的氧化性、熔渣的氧化性CaO, K2O, Na2O, TiO2, Al2O3, MgO, SiO2, MnO稳定性降低Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3.3 活性熔渣对金属的氧化uFeOFeO也相当不稳定，通常用也相当不稳定，通常用FeOFeO的活度的活度 FeOFeO来来代表熔渣氧化能力的强弱。代表熔

40、渣氧化能力的强弱。u计算计算FeO的活度时，将熔渣中其他铁的高价氧的活度时，将熔渣中其他铁的高价氧化物化物Fe2O3，折算成，折算成FeO的含量的含量:Fe2O3+Fe=3FeO或或Fe2O3=2FeO+1/2O21 1、熔渣的氧化性、熔渣的氧化性Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3.3 活性熔渣对金属的氧化u根据熔渣成分查表得出熔渣中根据熔渣成分查表得出熔渣中FeO的活度的活度 FeOFeO, , 估算出该温度下熔渣与液态金属构成的系统达到平估算出该温度下熔渣与液态金属构成的系统达到平衡时液态金属中的含氧量衡时液态金属中的含氧量: :1 1、熔渣的氧化性、熔渣的氧化性

41、FeOmaxO%O% OOmaxmax为在纯氧化铁构成的熔渣下与之平衡时为在纯氧化铁构成的熔渣下与之平衡时液态金属中液态金属中%O%O的极限含量。的极限含量。 OmaxOmax是与是与温度有关的常数温度有关的常数: : 734. 26320Olg%maxT随着温度的升高，熔渣的氧化性增大。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金2 2、熔渣对金属的氧化、熔渣对金属的氧化方式：方式： (1) (1) 扩散氧化扩散氧化 (2) (2) 置换氧化置换氧化3.3 活性熔渣对金属的氧化)(FeOFeO扩散平衡扩散平衡符合分配定律符合分配定律 若熔渣中含有比较多的易分解的氧化物若熔渣中含

42、有比较多的易分解的氧化物, , 可可与液态铁发生置换反应与液态铁发生置换反应, , 使金属氧化使金属氧化, , 同时发生原同时发生原氧化物中金属元素的还原氧化物中金属元素的还原 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3.3 活性熔渣对金属的氧化 熔渣中的熔渣中的FeOFeO既溶于渣又溶于液态钢，在一既溶于渣又溶于液态钢，在一定温度下，它在两相中的平衡浓度符合分配定律定温度下，它在两相中的平衡浓度符合分配定律: : (1)(1)、扩散氧化、扩散氧化FeO(FeO)LT, (FeO), FeO, (FeO), FeOPart II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3.3

43、活性熔渣对金属的氧化FeOFeO的分配常数的分配常数L L与温度和熔渣的性质有关与温度和熔渣的性质有关 : : (1)(1)、扩散氧化、扩散氧化2) 2) 在在CaOCaO饱和的碱性渣中饱和的碱性渣中: : 1) 1) 在在SiOSiO2 2饱和的酸性渣饱和的酸性渣: : 877. 14906lgTL980. 15014lgTLT, L, L, FeO, FeO:在高温时，在高温时，FeO更容易向金属中分配更容易向金属中分配 焊接时渣中的焊接时渣中的FeOFeO主要是在熔滴阶主要是在熔滴阶段和熔池前部高温区向液态金属中过渡的。段和熔池前部高温区向液态金属中过渡的。在熔池尾部在熔池尾部, , 随

44、着温度的下降随着温度的下降, , 液态金属液态金属中过饱和的氧化铁会向熔渣中扩散中过饱和的氧化铁会向熔渣中扩散, , 这一这一过程称之为扩散脱氧。过程称之为扩散脱氧。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金3.3 活性熔渣对金属的氧化在同样温度下在同样温度下, FeO, FeO在碱性渣中比在酸性渣中更在碱性渣中比在酸性渣中更容易向金属中分配。即容易向金属中分配。即: : 在熔渣中含在熔渣中含FeOFeO相同的相同的讨论讨论: : 酸性渣和碱性渣含氧量的比较酸性渣和碱性渣含氧量的比较渣的性质与焊缝含氧量的关系情况下情况下, , 碱性渣时金属中碱性渣时金属中的含氧量比酸性渣时大。

45、的含氧量比酸性渣时大。 熔渣的分子理论来解释熔渣的分子理论来解释: Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金碱性渣碱性渣: : SiO SiO2 2、TiOTiO2 2等酸性氧化物较少等酸性氧化物较少, FeO, FeO大部分大部分以自由状态存在以自由状态存在, , 即即FeOFeO在渣中的活度系数大在渣中的活度系数大, , 因因而容易向金属中扩散而容易向金属中扩散, , 使液态金属中增氧。使液态金属中增氧。 因此因此, , 在碱性焊条药皮中一般不加入含在碱性焊条药皮中一般不加入含FeOFeO的的物质物质, , 并要求焊接时严格清除焊件表面上的氧化皮并要求焊接时严格清除焊件表面

46、上的氧化皮和铁锈和铁锈, , 否则否则, , 将使焊缝增氧并可能产生气孔等缺将使焊缝增氧并可能产生气孔等缺陷陷, , 这是碱性焊条对铁锈和氧化皮敏感性大的原因这是碱性焊条对铁锈和氧化皮敏感性大的原因 3.3 活性熔渣对金属的氧化讨论讨论: : 酸性渣和碱性渣含氧量的比较酸性渣和碱性渣含氧量的比较酸性渣酸性渣: :SiOSiO2 2、TiOTiO2 2等酸性氧化物较多等酸性氧化物较多, , 它们能与它们能与FeOFeO形形成复合物成复合物( (如如FeOSiOFeOSiO2 2), ), 使自由使自由FeOFeO减少，所以减少，所以在熔渣中在熔渣中FeOFeO含量相同的情况下，扩散到金属中含量相

47、同的情况下，扩散到金属中的氧较少。的氧较少。 碱性焊条的焊缝含氧量比酸性焊条的高碱性焊条的焊缝含氧量比酸性焊条的高? ? 多数情况下碱性焊条的焊缝含氧量比酸性焊条低多数情况下碱性焊条的焊缝含氧量比酸性焊条低: : 因为尽管碱性渣中因为尽管碱性渣中FeOFeO的活度系数大的活度系数大, , 但碱性渣但碱性渣中中FeOFeO的含量并不高的含量并不高, , 因此碱性渣对液态金属的因此碱性渣对液态金属的氧化性比酸性渣要小。氧化性比酸性渣要小。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 扩散氧化反应进行的程度取决于界面附扩散氧化反应进行的程度取决于界面附近近FeOFeO的扩散速度、接触界面面积大小与扩散的扩散速度、接触界面面积大小与扩散反应时间。熔焊时由于熔渣在高温液态下的存反应时间。熔焊